韓雪，周晨

（南京大學大氣科學學院，南京，210023）

激光雷達探測是一種主動式遙感觀測技術(shù)，其原理為向目標物發(fā)射激光，通過測量激光回波信號的屬性來獲取目標物的屬性.激光具有單色性好、相干性強、方向性強以及高功率、高分辨率等優(yōu)良特性［1］，這使得激光雷達在大氣探測中擁有獨特的優(yōu)勢，可以對云、氣溶膠、大氣成分和風等目標進行大尺度、多模式的全天候連續(xù)觀測［2］，自出現(xiàn)起便被各個領域所重視與應用.

大氣探測激光雷達的發(fā)展可追溯至20 世紀60 年代.1963 年，世界首臺紅寶石米散射激光雷達誕生于美國［3］，我國隨之也開展了一系列激光大氣探測研究.早期的激光雷達通常體積龐大且操作復雜.隨著技術(shù)水平的提高，激光雷達越來越向著小型化、多功能化的方向發(fā)展，所搭載的平臺也由地基平臺擴展至空基、天基（星載）平臺.隨著大氣探測激光雷達數(shù)量的增多，越來越多的激光雷達以組網(wǎng)的形式加入了地球大氣的綜合觀測.美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration,NASA）以測量氣溶膠和云的垂直結(jié)構(gòu)及邊界層高度為目標，建設了以微脈沖米散射激光雷達為主的微脈沖激光雷達網(wǎng)絡MPLNET（the NASA Micro Pulse Lidar Network）［4］；日本建設了以偏振激光雷達為主的東亞沙塵觀測激光雷達網(wǎng)AD-net（the Asian Dust and Aerosol Lidar Observation Network）用于對亞洲沙塵進行觀測［5-6］；我國也建成了“一帶一路”激光雷達網(wǎng)等多個聯(lián)網(wǎng)激光雷達探測系統(tǒng).

由于激光雷達種類繁多，各類激光雷達之間存在顯著差異，過去的綜述文獻常常會對激光雷達進行分類介紹.例如，王青梅和張以謨［7］介紹了半導體激光雷達、微脈沖激光雷達、彈性散射激光雷達、多普勒激光雷達、差分吸收激光雷達以及拉曼激光雷達等六種激光雷達的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢；田曉敏等［8］介紹了米散射激光雷達、偏振激光雷達、拉曼激光雷達、差分吸收激光雷達、高光譜分辨率激光雷達、瑞利散射激光雷達、共振熒光激光雷達和多普勒激光雷達等八種不同探測技術(shù)的激光雷達；黃忠偉等［9］介紹了米散射激光雷達、偏振激光雷達、拉曼激光雷達、高光譜分辨率激光雷達、熒光激光雷達、沙式激光雷達、CCD 激光雷達和LED 光源雷達等八種氣溶膠激光雷達.顯然，不同文獻介紹激光雷達時使用的分類方法和標準并不相同.

本文使用多種分類方式對當前氣象探測領域內(nèi)的常見激光雷達進行系統(tǒng)全面的整理和歸納，并簡要介紹不同激光雷達的原理及其特點，為今后的探測工作提供更清晰、全面的激光雷達分類概覽.

1 激光雷達的分類

下表展示了本文對常見大氣探測激光雷達的幾種不同分類，其中左列為分類的方式，右列為每一種分類方式下的常見激光雷達類型.

1.1 按照觀測角度進行分類按照觀測角度，可以將激光雷達分為后向散射激光雷達和側(cè)向成像激光雷達兩大類.后向散射激光雷達根據(jù)激光傳輸一定距離所對應的時間延遲來進行測距（脈沖法測距、相位法測距），而側(cè)向成像激光雷達一般使用空間關系來進行測距（三角測距）.

1.1.1 后向散射激光雷達大部分激光雷達都屬于后向散射激光雷達，其工作原理為向目標方向發(fā)射激光，在鄰近激光器的位置收集目標物的后向散射回波，并通過激光與回波信號的時間差來計算目標物與激光雷達間的距離.此外，它還能根據(jù)回波的強度、偏振度和頻譜來判斷目標物的屬性.

表 常見的激光雷達分類方法Table Common lidar classification methods

后向散射激光雷達一般發(fā)射脈沖激光，通過脈沖法進行測距.如果脈沖的前沿在t時刻發(fā)射，脈沖寬度為τ，那么脈沖的后沿發(fā)射時間為t+τ.對于在t+Δt時刻接收到的回波信號，脈沖前沿與回波的時間差為Δt，而脈沖后沿與回波的時間差為Δt-τ，因此這個脈沖與其對應的回波之間的時間差介于Δt和Δt-τ之間.忽略多次散射對光程的影響，用c代表光速，可以計算出t+Δt時刻接收到的回波信號所對應的目標物距離為.顯然，測距存在不確定性，而距離的不確定區(qū)間長度便是激光測距能達到的最高精度.此外，后向散射激光雷達還可以通過經(jīng)過調(diào)制的連續(xù)光波在傳輸過程中的相位變化來進行測距，但這種測距方法在大氣探測中的應用不多.

后向散射激光雷達觀測到的信號不一定是正后向散射光，其觀測信號對應的散射角與接收裝置的結(jié)構(gòu)有關.采用異軸結(jié)構(gòu)和同軸異路徑結(jié)構(gòu)［10］的后向散射激光雷達（圖1a 和圖1b），其觀測信號所對應的散射角會略微偏離180°的后向散射角，這使得觀測信號基本不會受到粒子多次散射所產(chǎn)生的相干后向增強效應的影響，但它依然會受到大粒子單次散射的后向散射相干增強效應的影響［11］.圖1c 中的激光和回波的路徑有一部分完全重合，能夠直接探測正后向散射信號，其回波會受到各種后向散射相干增強效應的影響.由于異軸結(jié)構(gòu)和同軸同路徑結(jié)構(gòu)激光雷達在探測湍流的相干后向散射時存在巨大差異，Banakh and Razenkov［12］設計了一個包含同路徑和異路徑光路的激光雷達，用來進行湍流的相干后向散射研究.

圖1 幾種不同結(jié)構(gòu)的后向散射激光雷達系統(tǒng)示意圖，其回波信號對應的散射角有著微小差異Fig.1 Backscatter lidar systems with different scattering angles

對于異軸和同軸異路徑后向散射激光雷達，由于激光束與視場的不完全重合（圖2），大量近場回波信號無法被激光雷達傳感器完全接收，而遠場的回波則大部分處于視場的范圍之內(nèi)，因此需要使用重疊函數(shù)（幾何校正因子）來描述激光束與視場之間的幾何關系對激光雷達回波信號的影響［13］.重疊函數(shù)是距離的函數(shù)，在臨近區(qū)域趨近于0，而在遠場趨近于恒定值.因此，重疊函數(shù)G(r)可以定義為在距離r處傳感器所接收到的回波強度與到達激光雷達接收面的回波強度的比例，除以遠場傳感器所接收到的回波強度與到達激光雷達接收面的回波強度的比例.對于異軸和同軸異路徑激光雷達，鄰近區(qū)域的重疊函數(shù)為0，因此會形成一個盲區(qū)（圖2）；隨著距離的增加，重疊函數(shù)的值增加，但在回波信號強度小于后脈沖噪聲的過渡區(qū)域，依然無法有效地進行遙感反演，嚴重影響地基激光雷達對近地面的探測.同路徑激光雷達則在理論上沒有近場盲區(qū).

圖2 異軸結(jié)構(gòu)激光雷達系統(tǒng)中重疊函數(shù)的影響Fig.2 Illustration of overlap function in an off-axis lidar system

后向散射激光雷達的優(yōu)點是測距精度高，且測距精度不會隨距離的變化而降低，所以大部分應用于大氣探測的激光雷達都屬于后向散射激光雷達.不過，由于存在盲區(qū)，其回波能量會隨著探測距離的增加而急劇衰減，因此后向散射激光雷達探測遠距離的微弱信號時，可能需要降低測距精度來提升信噪比.另外，后向散射激光雷達對激光光源的要求較高，所以成本也相對較高.此外，在白天可見光波段的后向散射激光雷達還會受到背景光的干擾.

1.1.2 側(cè)向成像激光雷達側(cè)向成像激光雷達［14］是一種成本較低的激光雷達，其工作原理為使用成像系統(tǒng)對激光束進行拍照，計算每個像素所對應的回波傳播方向，并通過傳播方向和激光束的幾何信息計算像素點所對應的距離.

側(cè)向成像激光雷達有兩種，一種是常規(guī)成像激光雷達（圖3a），其接收系統(tǒng)是一個使用常規(guī)成像鏡頭的CCD 相機，一般距激光源十幾米到幾百米.該系統(tǒng)中回波的強度與激光器距CCD 相機的距離成反比，但并不會直接因目標物距離的變化而產(chǎn)生劇烈衰減，在近場的測距精度高，而遠場的測距精度則很低.

圖3 兩種側(cè)向成像激光雷達Fig.3 Two types of lateral imaging lidars

另一種被稱為沙氏激光雷達［15］，采用沙氏成像系統(tǒng)進行成像（圖3b），其遙感原理與CCD 成像激光雷達類似，但激光、透鏡組與傳感器之間的幾何關系與CCD 成像激光雷達不一樣，其相鄰像素所對應的目標物間距不會隨著距離的增加而急劇降低.和CCD 成像激光雷達相比，沙氏激光雷達的接收系統(tǒng)與發(fā)射系統(tǒng)之間的距離較近，因此可以固定在同一個底座上，方便進行掃描觀測.但是，受到激光束發(fā)散的影響，其有效測距精度依然會隨著距離的增加而急劇降低.

與后向散射激光雷達相比，側(cè)向成像激光雷達的成本較低，近場不存在盲區(qū)，而且常規(guī)成像激光雷達無須進行幾何校正因子的校準，因此非常適合邊界層的探測.其主要缺點在于有效測距精度會隨著距離的增加而急劇降低，對高空的探測能力較差.此外，可見光波段的側(cè)向成像激光雷達在白天還會受到背景光的嚴重影響.

1.2 按照觀測系統(tǒng)的光譜特征進行分類特定波長的激光和大氣發(fā)生相互作用時，會產(chǎn)生不同波長的回波信號，而激光雷達的觀測系統(tǒng)會選擇一個或多個具有不同光譜響應函數(shù)的通道進行觀測.根據(jù)觀測系統(tǒng)的光譜響應函數(shù)的特征，可以將激光雷達分為彈性散射激光雷達、差分吸收激光雷達、拉曼激光雷達、高光譜分辨率激光雷達、多普勒激光雷達和熒光激光雷達等多種類型.

1.2.1 常規(guī)彈性散射激光雷達在散射過程中，電磁波的頻率和波長都基本保持不變的散射過程為彈性散射，瑞利散射和米散射都屬于彈性散射.主要通過測量彈性散射的強度、偏振度來反演粒子屬性的激光雷達被稱為彈性散射激光雷達.

所有彈性散射激光雷達都能探測到大氣粒子的米散射和空氣分子的瑞利散射，但在實際應用中，往往將主要用于探測低空粒子米散射信號的彈性散射激光雷達稱為米散射激光雷達［8］，而將主要通過瑞利散射信號來反演高空溫濕廓線的彈性散射激光雷達稱為瑞利散射激光雷達［16-17］，此外高光譜激光雷達也屬于彈性散射激光雷達.

當使用彈性散射激光雷達探測氣溶膠時需要求解激光雷達方程，然而每一個高度的大氣所對應的消光系數(shù)和后向散射系數(shù)都是未知的，這使得方程組沒有唯一解.因此，當使用單線彈性散射激光雷達觀測資料進行反演時，一般需要根據(jù)統(tǒng)計經(jīng)驗預設消光系數(shù)和后向散射系數(shù)之間的數(shù)學關系（例如預設激光雷達比，即消光系數(shù)與后向散射系數(shù)的比值），并使用高空干潔大氣的瑞利散射信號強度作為定標依據(jù)，然后用半解析方法（常用Klett 法和Fernald 法）［18-19］或者結(jié)合更復雜的數(shù)值方法對激光雷達方程求解.同時，使用彈性散射激光雷達反演云的特性時也需要預設多次散射系數(shù)，這也會帶來誤差.

彈性散射激光雷達一般成本低、可靠性高，因此應用最為廣泛，當前大部分后向散射激光雷達和幾乎所有的側(cè)向成像激光雷達都屬于彈性散射激光雷達.然而，由于粒子激光雷達比的不確定區(qū)間很大，激光雷達比和多次散射系數(shù)相關的前置假設可能會導致較大的反演誤差.

1.2.2 差分吸收激光雷達差分吸收激光雷達是一種用來測量特定氣體濃度的激光雷達，它會向目標空間同時發(fā)射兩束波長相近但氣體吸收率不同的激光束，并測量這兩束光對應的回波強度.通過測量這兩束激光回波信號強度的差值變化，就可以得到特定氣體的空間分布特征［20］.由于兩束激光處于同一光路且波長相近，待測物質(zhì)對兩束激光有著相同的影響，相互抵消誤差可以大大提高激光雷達的抗干擾特性［21］.

1.2.3 拉曼激光雷達拉曼散射是激光與大氣分子間的一種非彈性散射過程，當入射光與粒子發(fā)生相互作用時，物質(zhì)中的原子和分子的能級同時發(fā)生改變，導致散射光的能量與入射光不同，從而導致散射光波長與入射光波長不同.由于拉曼散射的頻率變化取決于粒子的特性，故拉曼激光雷達可以通過散射光的頻率來反演大氣成分.純轉(zhuǎn)動拉曼散射的頻率變化較小，而振動-轉(zhuǎn)動拉曼散射頻率變化較大.

常見的拉曼激光雷達擁有振動-轉(zhuǎn)動拉曼通道，一般發(fā)射355（532）nm 的激光，同時測量彈性散射、氮氣拉曼散射388（607）nm 和水汽拉曼散射411（660）nm 的強度［22］.由于氮氣的含量是固定不變的，因此可以根據(jù)氮氣拉曼散射的強度來獲得大氣的消光信息，并通過氮氣拉曼散射和彈性散射的強度直接獲得粒子的后向散射系數(shù).它還能結(jié)合大氣的消光信息和水汽拉曼散射的強度直接反演水汽濃度.

擁有純轉(zhuǎn)動拉曼散射通道的拉曼激光雷達還能夠測量大氣的溫度.不同頻率的純轉(zhuǎn)動拉曼散射強度與溫度之間的函數(shù)存在差異，因此可以通過純轉(zhuǎn)動拉曼散射強度進行溫度的反演.Behrendt et al［23］利用拉曼激光雷達系統(tǒng)的兩個純轉(zhuǎn)動拉曼通道實現(xiàn)了對大氣溫度的測量，同時還測量了氣溶膠消光系數(shù)、后向散射系數(shù)、濕度等參數(shù)；譚敏等［24］使用多功能拉曼激光雷達同時測量了大氣溫度、水汽混合比的垂直分布及大氣氣溶膠光學性質(zhì)，實現(xiàn)了對流層大氣參數(shù)的實時測量.

和普通彈性散射激光雷達相比，拉曼激光雷達的精度更高，功能更全面，但其成本和對儀器的要求也都更高.由于拉曼散射的能量遠低于彈性散射能量，受背景噪聲影響大［25］，如果接收系統(tǒng)的口徑較小或者濾波片的帶寬不夠窄，那么在白天觀測效果會很差；此外，在反演氣溶膠消光系數(shù)時需要對氣溶膠消光系數(shù)的波長依賴性進行假設，這也可能導致誤差；另一個可能的系統(tǒng)誤差來源于對大氣密度廓線的假設［26］.

1.2.4 高光譜分辨率激光雷達高光譜分辨率激光雷達（High Spectral Resolution Lidar，HSRL）是一種以精細分光技術(shù)為核心的激光雷達，能夠以很高的光譜分辨率來測量回波信號［10，27-28］.盡管HSRL 測量的回波以彈性散射光為主，但它能夠探測到瑞利-布里淵散射所產(chǎn)生的頻變，所以一般不被歸類于彈性散射激光雷達.由于大氣分子的熱運動速度方差較大，而云與氣溶膠粒子的運動速度方差較小，分子散射與粒子散射的光譜存在巨大差異，故HSRL 可以將分子散射與粒子散射區(qū)分開來.HSRL 探測系統(tǒng)的關鍵技術(shù)之一是光譜濾光器，可以分為原子分子吸收型和干涉型兩大類，其中原子分子吸收型光譜濾光器根據(jù)原子和分子的特征吸收譜線來過濾氣溶膠的散射回波信號，但缺陷在于只能局限于幾個固定的波長［25，29］，而干涉型光譜濾光器的工作原理為光學干涉相長相消原理，可以通過對特定波長信號的抑制來分離分子和氣溶膠的散射信號［30］.為了更好地分離大氣分子與氣溶膠的散射信號，HSRL對激光器、光譜濾光器等都有較高的要求［30］.當通過分子散射信號獲得了大氣的消光信息后，由于分子的后向散射系數(shù)可以通過理論計算直接獲得，結(jié)合粒子散射信號就可以計算得出后向散射系數(shù)，無須再對激光雷達比進行假設.不過，HSRL 也存在由于在反演中對空氣密度廓線進行假設而導致的不確定性［31］.

此外，HSRL 還可以用來進行溫度的測量.分子散射的光譜受溫度的影響很大，因此可以通過回波的光譜來進行溫度的反演，不過溫度的反演對儀器性能的要求比較高.

HSRL 的精度比一般彈性散射激光雷達的精度更高，用途也更廣泛，已經(jīng)在多個領域取得了成果［32-34］，但在地面的應用中仍是拉曼激光雷達使用更為廣泛.

1.2.5 多普勒激光雷達多普勒激光雷達是一種通過粒子散射的多普勒頻移來進行測風的激光雷達，可以細分為相干探測多普勒激光雷達與直接探測多普勒激光雷達兩類.

相干探測多普勒激光雷達通過光學混頻的方式實現(xiàn)對多普勒頻移的測量.它在向大氣發(fā)射激光的同時也會向接收系統(tǒng)發(fā)射本振光信號，發(fā)射的激光經(jīng)過聲光調(diào)制器調(diào)制后產(chǎn)生頻移并在激光放大器中進行放大后輸出.放大輸出的激光一部分與大氣進行相互作用并產(chǎn)生散射信號，散射信號會與本振光信號進行混頻得到回波信號；另一部分輸出激光則被分光器單獨分出，并與聲光調(diào)制后的光信號進行混頻得到參考信號，接收到的回波信號與參考信號進行混頻后再通過數(shù)字信號處理就能獲得風場信息［35-36］.相干多普勒激光雷達靈敏度高、信噪比高、易于集成、應用領域更廣［37］.而直接探測多普勒激光雷達則通過測量發(fā)射能量與接收能量之間發(fā)生的頻移來實現(xiàn)對風速的測量［38-39］.

1.2.6 熒光激光雷達熒光激光雷達是一種能夠測量氣溶膠熒光的激光雷達，它將激光雷達技術(shù)與激光誘導熒光技術(shù)結(jié)合了起來，主要應用于生物氣溶膠的探測.大多數(shù)熒光激光雷達選擇使用Nd：YAG 激光器，該激光器可以發(fā)射266 nm或355 nm 紫外光激光來誘導生物氣溶膠產(chǎn)生熒光，具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于獲得、維護成本低的優(yōu)點.

熒光激光雷達工作原理為用激光對物質(zhì)進行照射后，生物氣溶膠常?？梢援a(chǎn)生熒光，非生物氣溶膠則一般不能，由此可以區(qū)分生物氣溶膠與非生物氣溶膠.不同生物氣溶膠會產(chǎn)生不同的熒光光譜，據(jù)此可以對混合生物氣溶膠進行預分類，具有高靈敏度、測量速度快的特點，且無需接觸就可進行在線測量，在環(huán)境監(jiān)測及污染防治等領域有一定優(yōu)越性［40］.不過在實際應用中，熒光光譜強度會受到溫壓、pH、激光能量及氣溶膠濃度等的影響，且熒光激光雷達信噪比低［41］.

1.3 按照主要探測目標進行分類

1.3.1 激光云高儀激光云高儀（以下簡稱云高儀）是一種主要用來進行云高測量的后向散射激光雷達［42］.云高儀屬于簡易的后向散射彈性激光雷達，能量一般較低，成本也低于大部分其他類型的后向散射激光雷達，并且穩(wěn)定性高，因此應用非常廣泛.除了實現(xiàn)云高的測量外，云高儀還可用來獲得邊界層高度和大氣粒子的垂直分布特征，其資料可以用于大氣污染物的研究中，但是對氣溶膠的反演精度較低.并且，在雨雪天，由于云高儀的發(fā)射波長往往接近近紅外水汽吸收帶，儀器會受到水汽的干擾，最終對反演結(jié)果產(chǎn)生影響［43-44］.

1.3.2 云和氣溶膠激光雷達云和氣溶膠激光雷達的探測目標是云和氣溶膠.常見的多通道彈性散射激光雷達、拉曼激光雷達、高光譜激光雷達等都可以作為云和氣溶膠激光雷達進行探測工作.米-瑞利散射激光雷達在氣溶膠和云的探測中比較常見，因為大氣中與激光發(fā)生米散射的主要就是氣溶膠與云，它可以通過探測由大氣分子產(chǎn)生的瑞利散射和由氣溶膠產(chǎn)生的米散射的混合光譜信號得到氣溶膠的時空變化特征［45-46］.由美國NASA 和法國國家空間研究中心合作研發(fā)的紅外探路者衛(wèi)星（Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Path nder Satellite Observation,CALIPSO）上攜帶的正交極化激光雷達（the Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization，CALIOP）是當前應用最為廣泛的云與氣溶膠激光雷達之一，其上的1064 nm 通道和532 nm 通道可以對云和氣溶膠進行探測，并提供云與氣溶膠的垂直信息［47］，不過它的使用也不僅僅局限于這一種目的.例如通過CALIPSO 觀測得到的氣溶膠數(shù)據(jù)，結(jié)合其他數(shù)據(jù)，最終可以反演地面能見度，提供能見度的空間信息［48］.

1.3.3 臭氧激光雷達臭氧激光雷達是以臭氧為主要探測目標的激光雷達，一般使用差分吸收原理對臭氧進行探測，具體原理在前文已有論述.臭氧差分吸收激光雷達能夠全天候探測臭氧的時空分布特征，具有高精度、高時空分辨率、實時在線等優(yōu)點，通常采用266～289 nm 波段和266～308 nm 波段的激光來對臭氧進行探測［49］，此外也有研究使用三波長雙差分激光雷達（266～289～308 nm）來克服臭氧探測中氣溶膠的影響.早在20 世紀就已經(jīng)有了臭氧激光雷達的相關應用，中國科學院安徽光學精密機械研究所就于1998 年研制了一臺紫外差分吸收（Ultraviolet Differential Absorption Lidar，UV-DIAL）激光雷達，用于18～45 km 平流層臭氧垂直廓線的長期監(jiān)測［16］.而今，臭氧激光雷達被越來越多地應用于大氣污染物監(jiān)測中，做出了重要貢獻.

1.3.4 二氧化碳激光雷達二氧化碳（CO2）是大氣的重要組成成分，它的持續(xù)增加也是氣候變化的主要原因之一.在主動探測領域，一般使用雙波長或多波長的差分吸收激光雷達來測量CO2的分布情況，而拉曼激光雷達也可以用來測量CO2的濃度.主要用來測量CO2的激光雷達可以被稱為二氧化碳激光雷達.值得注意的是，使用CO2作為激光器工作介質(zhì)的激光雷達有時候也被稱為二氧化碳激光雷達［7］，在實際交流中需要進行區(qū)分.

差分吸收激光雷達可以直接測量出激光對CO2的吸收截面參數(shù)，獲得對流層CO2的垂直廓線［50］，準確度較高.由于差分吸收截面是溫度和壓強的函數(shù)，所以大氣溫度、壓力等的測量會影響到反演精度，以及激光頻率的不同也會導致吸收截面產(chǎn)生差別［51］.拉曼激光雷達則具有結(jié)構(gòu)相對簡單，設備經(jīng)濟性好的優(yōu)勢［52］.與傳統(tǒng)的地面監(jiān)測相比，衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展使得我們獲得的觀測信息擴展至全球范圍［53］.我國于2022 年4 月發(fā)射的大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星上便搭載了星載二氧化碳激光雷達，可以提供更豐富的觀測數(shù)據(jù)［54］.

1.3.5 測風激光雷達風是重要的大氣要素，在研究中一般使用多普勒測風激光雷達來測量氣溶膠或空氣分子的徑向多普勒速度，再據(jù)此計算風速和風向.由于常常將氣溶膠的移動等效于風的移動，故大氣中氣溶膠層越厚，反演得到的風場數(shù)據(jù)精度越高［35］.

多普勒測風激光雷達可分為相干探測與直接探測兩種，在前面的章節(jié)中已有詳細論述.HSRL可以用于測風，屬于直接探測［25］.相干探測多普勒激光雷達具有高靈敏度、高信噪比、易于集成的特點，應用領域更廣［37］，與直接探測多普勒激光雷達相比，其激光發(fā)射功率更低，然而當氣溶膠濃度很低時，在中高空中就很難獲得風速信息.目前，星載測風激光雷達也在穩(wěn)步發(fā)展中.歐洲空間局（European Space Agency,ESA）研制的全球首顆星載激光測風衛(wèi)星Aeolus 已于2018 年成功升空，其上搭載的激光雷達采用直接探測技術(shù)，分別通過瑞利通道和米通道進行大氣風場的探測［55-56］，美國和日本也相繼研制了自己的星載測風激光雷達技術(shù)體制來對高空風場數(shù)據(jù)進行補充［57］.

1.3.6 能見度激光雷達能見度激光雷達主要通過反演近地面霧和霾的消光系數(shù)來估算能見度.能見度激光雷達一般都屬于彈性散射激光雷達，能量通常較低，一般擁有水平掃描功能，能夠獲取較大區(qū)域內(nèi)能見度的平面分布.

此外，還有一些觀測目標主要為二氧化硫或甲烷等其他氣體目標物的激光雷達，可以因此將它們稱為二氧化硫激光雷達、甲烷激光雷達等.還有一些激光雷達被用于探測揮發(fā)性有機物（Volatile Organics Compounds，VOC），例如可以使用差分吸收激光雷達來對其進行探測.

1.4 按照觀測平臺進行分類根據(jù)不同的探測需求，可以通過將激光雷達安裝在建筑、汽車、飛機或衛(wèi)星等平臺上，來實現(xiàn)不同區(qū)域、高度和范圍的觀測任務.根據(jù)搭載的平臺的不同，可將激光雷達分為地基激光雷達、空基激光雷達及天基激光雷達（或稱星載激光雷達）三類.

地基激光雷達多安裝在固定的建筑物頂端或地面移動系統(tǒng)上，大多數(shù)用于監(jiān)測氣溶膠和能見度的激光雷達都是地基激光雷達.它們可以對單一地點進行連續(xù)的觀測，有利于得到某一地點的連續(xù)氣象數(shù)據(jù)，但只能進行小尺度數(shù)據(jù)采集，且會受到當?shù)靥鞖獾挠绊?

空基激光雷達多安裝在飛機、飛艇或無人機上，可用于區(qū)域尺度的監(jiān)測任務.與地基激光雷達相比，其觀測范圍更大，且受天氣影響較小，在對云的探測等方面具有優(yōu)勢，例如NASA 的云物理激光雷達（Cloud Physics Lidar，CPL）［58］就屬于空基激光雷達.不過空基激光雷達成本較高，且在探測中難以進行調(diào)整，但它們對于一些區(qū)域尺度及復雜地形地區(qū)的自然資源調(diào)查研究而言非常有利.

星載激光雷達以衛(wèi)星為觀測平臺，可以獲取大尺度、大范圍、高分辨率的三維氣象數(shù)據(jù)，還能提供一些地面上難以觀測區(qū)域的數(shù)據(jù)［59］.衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展使得觀測領域得以覆蓋全球，進一步推動了自然科學的發(fā)展［60］.1994 年，世界上第一臺星載激光雷達（the Lidar InThe Lidar In-Space Technology Experimentspace Technology Experiment，LITE）搭載發(fā)現(xiàn)號航天飛機升空［61］，此后，星載激光雷達開始快速發(fā)展.它們的應用對于全球氣象資料的豐富及各項研究而言意義重大，但其技術(shù)難度和成本也更高.同時由于依托于衛(wèi)星的運行，星載激光雷達無法實現(xiàn)對同一地點的連續(xù)觀測，數(shù)據(jù)也呈條帶狀，且難以維護，在未來仍需要進行大量探索.

1.5 按激光器工作介質(zhì)進行分類激光器的工作介質(zhì)可以是氣體、固體或半導體，因此有文獻根據(jù)激光器的工作介質(zhì)對激光雷達進行命名［7］.可以根據(jù)激光器工作物質(zhì)的不同將激光雷達分為氣體激光雷達、固體激光雷達和半導體激光雷達，此外我們將LED 光學雷達也列入此分類.

氣體激光雷達所使用的激光器為氣體激光器，例如使用氦氖激光器及二氧化碳激光器等.它們輸出的光束具有較好的方向性和單色性，頻率穩(wěn)定性高，輸出激光波長范圍廣［62］，在大氣風場、大氣環(huán)境等的監(jiān)測中作用重大.

固體激光雷達指以固體激光器作為核心部件的激光雷達，具有體積小、可靠性高、穩(wěn)定性高、功率高等特點［63］，不過價格一般相對昂貴.

半導體激光雷達使用的是半導體激光器.由于半導體本身也是固體，因此理論上也可以看作是廣義的固體激光雷達.它們的使用壽命很長，可以進行連續(xù)探測工作，且有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、造價低、可靠性高及對人眼傷害小的特點，被大量使用在例如探測云底高度的米散射測量等研究中［64］.半導體激光雷達曾因相干性較差及低功率而受到限制，無法進行遠距離探測［65］.而今，隨著半導體激光器器件的高速發(fā)展，半導體激光器具有了高功率、高效率的特點，在軍事、航天等領域內(nèi)備受青睞［66］.

此外，還有一種使用LED 作為光源的LED光學雷達［67］，它使用了低能量的連續(xù)光源LED 光源，可用于近距離探測.盡管LED 光學雷達使用的不是激光光源，但它符合激光雷達英文Lidar（Light Detection and Ranging，光學探測及測距）的描述，因此本文依然對其進行了列舉.

1.6 按激光的波形進行分類按照激光光波的波形，可以將激光雷達分為脈沖激光雷達和連續(xù)波激光雷達兩大類.

使用脈沖激光作為光源的激光雷達為脈沖激光雷達.脈沖激光的能量在時間上是不恒定的，其峰值功率遠大于平均功率，且每兩個功率峰值之間存在一定的時間間隔.大部分后向散射激光雷達都屬于脈沖激光雷達，利用脈沖法進行測距.值得一提的是，有一種緊湊型脈沖激光雷達被命名為微脈沖激光雷達（Micro Pulse Lidar，MPL）［68］，其脈沖間隔較小，脈沖能量為微焦級別，不會傷害眼睛.

使用連續(xù)波激光作為光源的激光雷達被稱為連續(xù)波激光雷達.使用連續(xù)波作為光源的后向散射激光雷達需要使用調(diào)幅連續(xù)波或調(diào)頻連續(xù)波來進行測距，光波的振幅或頻率會發(fā)生周期性變化；側(cè)向成像激光雷達則可以選擇低成本的常規(guī)連續(xù)波激光作為光源.

1.7 按照偏振特征進行分類如果激光雷達擁有測量偏振度的能力，那么這個激光雷達就可以被稱為偏振激光雷達［69-70］.

大部分偏振激光雷達使用線偏振激光作為光源，因此可以被稱為線偏振激光雷達.如果激光雷達同時測量平行于激光偏振方向和垂直于激光偏振方向的回波的強度，并通過回波的退偏比來判斷大氣粒子的類型，則可以被稱為正交極化激光雷達.例如，CALIOP 的中文名稱就含有“正交極化”這個名詞.線偏振激光雷達可以獲取粒子的形狀信息.球形粒子（水云滴）產(chǎn)生的單次散射回波的退偏比為0，水平排列的片狀冰晶回波的退偏比非常接近于0［71］，而非球形粒子的單次散射回波的退偏比大于0，多次散射回波信號所對應的退偏比也是大于0 的（圖4）.

圖4 不同粒子回波的線偏振特征（其中δ 為退偏比）Fig.4 Linear polarization characteristics of different particles,where δ is the depolarization ratio

如果在激光器前方加入一個四分之一波片，使得發(fā)射激光變成圓偏振波，那么這種激光雷達可以被稱為圓偏振激光雷達.圓偏振激光雷達同樣可以用來進行粒子形狀的識別，其優(yōu)勢在于受多次散射對退偏比的影響小于線偏振激光雷達［72］.

1.8 按照觀測的視場數(shù)量進行分類大部分激光雷達在每個波段都只擁有一個觀測視場，屬于單視場激光雷達.

Hutt et al［73］設計的多視場激光雷達（Multiplefield-of-View Lidar，MFOV）則可以同時以多個不同視場角來對大氣進行觀測.視場角較小的通道接收到的回波以單次散射為主，而視場角較大的通道則會接收到更多的多次散射信號.由于不同大小的粒子前后向散射相函數(shù)存在巨大差異，故可以通過不同視場接收到的回波強度的差異來反演粒子的粒徑信息.

1.9 其他分類方式在實際應用中，除上述幾種較為常見的分類方式外，大氣探測激光雷達還存在一些不常用的分類及命名方法.

若按照激光光源的頻率對激光雷達進行分類，可將它們分為可見光激光雷達、紫外激光雷達及紅外激光雷達三類.可見光激光雷達使用可見光光源，會造成光污染，故在人口密集地區(qū)使用會有限制.紫外激光雷達使用紫外激光作為光源，雖然肉眼不可見，但也存在光污染，且對肉眼是有傷害的.紅外激光雷達使用紅外光源，穿透性好，且不會產(chǎn)生擾民問題.此外，有的激光雷達同時擁有多個波長的光源，例如CALIOP 激光雷達就同時擁有532 nm 可見光光源和1064 nm 紅外光源，此類激光雷達常常被稱為雙波長或多波長激光雷達.

按照觀測的空間維度進行分類，可將激光雷達分為一維激光雷達、二維激光雷達和三維激光雷達.大部分地基激光雷達都會固定一個方向進行觀測，故為一維激光雷達，成本相對較低，可靠性高，但觀測得到的信息有限.天基和空基激光雷達雖然也固定向某個方向進行觀測，但會隨著飛機或衛(wèi)星不停運動，所以觀測到的是二維平面，屬于二維激光雷達.三維激光雷達具備掃描功能，能夠?qū)ΧS空間或者三維空間進行掃描成像，獲取云、霧和氣溶膠的二維或三維空間信息.

在三維激光雷達中，按照掃描方式還可將大氣探測激光雷達再度細分為機械式激光雷達和相控式激光雷達.

當按照激光的線數(shù)對激光雷達進行分類，則可以分為單線激光雷達和多線激光雷達.單線激光雷達在每個波長發(fā)射的激光束都是一根單線，結(jié)構(gòu)簡單，使用也較廣泛.多線激光雷達可以同時發(fā)射多束激光，并獲得每束激光對應的回波信息.

2 結(jié)語

本文對常見的大氣探測激光雷達進行了系統(tǒng)性的整理和歸納，列舉了多種激光雷達分類方法，全面介紹了常見大氣探測激光雷達的類型和特征，并簡要地分析了它們的優(yōu)缺點.根據(jù)本文所列舉的各種分類方法，可以使用多種名稱來描述任意一臺特定的激光雷達，有助于在現(xiàn)實交流中減少有關激光雷達命名的疑惑.此外，當需要選擇激光雷達來進行大氣探測時，可以結(jié)合各種激光雷達的優(yōu)缺點，根據(jù)探測目標、數(shù)據(jù)質(zhì)量要求和預算來選擇最適合的激光雷達類型.

隨著激光雷達技術(shù)的快速發(fā)展，不斷地會有新型的激光雷達問世并被應用于大氣探測當中，新型激光雷達依然可以按照本文的分類方式進行分類，但新的分類方式也可能隨之出現(xiàn).隨著激光雷達技術(shù)的不斷發(fā)展，在未來不定期地對激光雷達的分類進行更新是有必要的.

盡管激光雷達技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，激光雷達也已經(jīng)在大氣探測中得到了廣泛應用，但是實際觀測產(chǎn)品的精度常常達不到理想水平.現(xiàn)實中，激光雷達的儀器廠商往往更注重激光雷達功能的宣傳，但功能越強的激光雷達對儀器的維護和校準的要求越高，在缺乏維護和校準不當?shù)那闆r下，拉曼雷達的穩(wěn)定性和觀測精度并不比常規(guī)的彈性散射激光雷達高；另一方面，儀器廠商常常選取晴空條件等理想狀況的反演結(jié)果進行誤差分析，而當有大量的低云存在時，反演誤差則常常大于晴空條件下的反演結(jié)果，這會導致反演誤差被低估.在未來，隨著光學和電子技術(shù)的發(fā)展，激光雷達探測的精度會隨著元件性能的提升而增強，同時將會有功能更加全面的激光雷達被發(fā)明，這些高性能的激光雷達將在科學研究和環(huán)境檢測中發(fā)揮重要的作用；低成本激光雷達技術(shù)的發(fā)展則能夠促進激光雷達的普及，增加激光雷達探測的覆蓋面.另一方面，激光雷達的校準和反演算法的發(fā)展也十分重要.隨著粒子散射特性模擬算法、輻射傳輸求解算法、機器學習算法的發(fā)展，特定激光雷達的探測精度、穩(wěn)定性和適用性也將會得到提升.